聚偏氟乙烯成型工藝與力學(xué)性能研究

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 陳 巍

上海工程技術(shù)大學(xué) 張效迅 張才寶

聚偏氟乙烯(PVDF)是由偏氟乙烯(VDF)通過(guò)均聚或共聚而成的含氟樹(shù)脂。PVDF樹(shù)脂兼具氟樹(shù)脂和通用樹(shù)脂的特性，除具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐氣候性、耐紫外線、耐輻射性能外，還有壓電性、熱電性等特殊的性能[1-2]。在含氟樹(shù)脂中，PVDF具有最高的抗張強(qiáng)度和抗壓縮強(qiáng)度以及出色的加工性能。PVDF的熔點(diǎn)(約170℃)與分解溫度(316℃)相差100℃以上，熱穩(wěn)定性高，因而具有良好的成形加工條件。

通常情況下，通過(guò)短纖維增強(qiáng)，可以獲得更高力學(xué)性能的PVDF制品，因此，在某些條件苛刻的場(chǎng)合下,PVDF甚至可以取代鈦合金、哈氏合金、蒙乃爾合金等材料，也被譽(yù)為合成樹(shù)脂中的“貴金屬”，在航空領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

PVDF的主要成型方式為注塑成型，熔體溫度、模具溫度等注塑成型工藝參數(shù)的控制對(duì)于PVDF注塑成型的力學(xué)行為有很大的影響[3-5]。因此，開(kāi)展對(duì)PVDF注塑成型工藝與力學(xué)性能的研究，對(duì)在工程中正確設(shè)計(jì)PVDF制品，掌握其機(jī)械性能和評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量具有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)控制注塑工藝的變化制備力學(xué)拉伸試樣，通過(guò)拉伸試驗(yàn)，測(cè)試其力學(xué)行為，觀察注塑工藝對(duì)于力學(xué)行為的影響。通過(guò)在PVDF材料中添加一定量的短切纖維，分析比對(duì)增強(qiáng)纖維對(duì)PVDF力學(xué)性能的影響。

(2)試驗(yàn)材料：試驗(yàn)所用PVDF和短切纖維均為國(guó)產(chǎn)材料，短切纖維直徑為7μm 。

(3)試驗(yàn)儀器：注塑成型使用震雄EASYMASTER注塑機(jī)，型號(hào)EM80-V，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用EM80-V注塑機(jī)Fig.1 Injection molding machine for experiment

試驗(yàn)稱(chēng)量設(shè)備使用佰倫斯電子秤。拉伸試驗(yàn)在AG-25TA電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

(4)試樣制備。PVDF試樣尺寸如圖2所示，圖3為試驗(yàn)用模具。

從圖3可以清晰地看到模具的型腔以及其進(jìn)膠的路線和頂出位置。

用吊車(chē)將圖3中所示模具安裝注塑機(jī)上，調(diào)整好模具的閉合高度。注塑成型之前，要先用一定量的PVDF材料對(duì)注塑機(jī)的機(jī)筒和噴嘴進(jìn)行清洗，以防止在試樣中含有其他的雜質(zhì)，完成注塑試驗(yàn)之后，要及時(shí)地將機(jī)筒清洗干凈，防止堵塞注塑機(jī)。

(5)試驗(yàn)方案。注塑成型若干個(gè)不同注塑工藝參數(shù)以及同等工藝參數(shù)下PVDF與短切碳纖維增強(qiáng)PVDF試樣，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，并對(duì)不同工藝參數(shù)注塑成型的PVDF試樣以及同等工藝參數(shù)添加不同量碳纖維的PVDF試樣的力學(xué)行為對(duì)比。

圖2 PVDF試樣(mm)Fig.2 PVDF specimen

圖3 試驗(yàn)?zāi)＞逨ig.3 Mold for experiment

纖維增強(qiáng)PVDF按照纖維質(zhì)量百分比1： 200，1： 133和1： 100進(jìn)行混合。稱(chēng)取3份400g的PVDF粉末，再分別稱(chēng)取2g、3g、4g的短切碳纖維絲，分別將稱(chēng)取的短切碳纖維絲添加到PVDF粉中，混合均勻。

關(guān)于短切碳纖維絲不能選擇長(zhǎng)度太長(zhǎng)的短切絲。短切碳纖維絲過(guò)長(zhǎng)，容易纏繞在注塑機(jī)的螺桿上下不去，從而堵塞注塑機(jī)。短切碳纖維絲也不能添加過(guò)多，由于碳纖維這種材料的熔點(diǎn)高，流動(dòng)性差，注塑過(guò)程中，碳纖維絲下不去，會(huì)造成注塑機(jī)堵塞。

影響PVDF成型性能的主要參數(shù)有熔體溫度、注射壓力、注射時(shí)間等。本試驗(yàn)重點(diǎn)討論熔體溫度(即料溫)、注射壓力對(duì)材料力學(xué)性能的影響。本次試驗(yàn)的成型工藝參數(shù)如表1所示。其中，#8、#9、#10試樣是分別在400g的PVDF粉中添加2g、3g和4g的短切碳纖維絲制成的試樣。

2 結(jié)果與討論

對(duì)#1～10試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出不同工藝條件下和添加不同含量的短切碳纖維絲試樣的抗拉強(qiáng)度，如表2所示。

對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出試樣彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨注塑壓力和料溫的變化關(guān)系，如圖4～9所示。

由圖4～6可以看出，在250～280℃范圍內(nèi)，隨著料溫的升高，注塑成型所得PVDF試件的抗拉強(qiáng)度是先上升，然后降低，波動(dòng)的幅度很小；注塑所得的PVDF試件的屈服應(yīng)力也會(huì)先升高再降低；注塑所得的PVDF試件的彈性模量逐漸減小，當(dāng)料溫進(jìn)一步升高到280℃時(shí)，注塑所得PVDF試件的彈性模量變得很小。

表1 注塑成型工藝參數(shù)

由圖7～9可以得出，其他工藝條件相同的情況下，隨著注塑成型過(guò)程中注射壓力從50%增加到80%，注塑成型所得PVDF試件的屈服強(qiáng)度先上升，然后下降，在3MPa左右有波動(dòng)；隨著注射壓力逐漸增大，注塑所得PVDF試件的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)注射壓力達(dá)到70%，抗拉強(qiáng)度又會(huì)下降；注塑所得PVDF試件的彈性模量先上升后下降。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 彈性模量與料溫的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between elasticity modulus and melt temperature

圖5 抗拉強(qiáng)度與料溫變化關(guān)系Fig.5 Relationship between tensile strength and melt temperature

圖6 屈服強(qiáng)度與料溫的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength and melt temperature

圖7 彈性模量與注射壓力的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between elasticity modulus and injection pressure

圖8 抗拉強(qiáng)度與注射壓力的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between tensile strength and injection pressure

圖9 屈服強(qiáng)度與注射壓力的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between yield strength and injection pressure

由圖10～12可知，注塑工藝條件完全相同的情況下，特種塑料PVDF中添加短切碳纖維絲比例為1：200、1 ：133、1：100，材料的抗拉強(qiáng)度有顯著的提升；隨著PVDF中短切碳纖維絲比例從1：200到1：100，材料的抗拉強(qiáng)度從42.1MPa下降到37.7MPa；然而，在PVDF中添加上述比例的短切碳纖維絲，對(duì)于材料的屈服強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響；材料的彈性模量先上升后下降。

圖10 彈性模量與增強(qiáng)纖維質(zhì)量比變化關(guān)系圖Fig.10 Relationship between elasticity modulus and percentage of fiber

圖11 抗拉強(qiáng)度與增強(qiáng)纖維質(zhì)量比的變化關(guān)系Fig.11 Relationship between tensile strength and percentage of fiber

圖12 屈服強(qiáng)度與增強(qiáng)纖維質(zhì)量比的變化關(guān)系Fig.12 Relationship between yield strength and percentage of fiber

3 結(jié)論

本文研究了特種塑料PVDF的注射成型工藝參數(shù)改變和特種塑料PVDF中添加一定量的短切碳纖維絲對(duì)于特種塑料PVDF的力學(xué)行為的影響。通過(guò)注塑成型試驗(yàn)，制備了不同工藝條件下的PVDF試樣以及同等工藝參數(shù)含2g、3g和4g的短切碳纖維絲的PVDF試樣。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，分析了不同工藝條件和同等工藝條件下含不同量短切碳纖維絲特種塑料PVDF的力學(xué)行為。主要結(jié)論如下：

(1)特種塑料PVDF的注塑成型工藝參數(shù)中，料溫的變化對(duì)于材料的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響，當(dāng)料溫過(guò)高時(shí)，彈性模量和屈服強(qiáng)度會(huì)有很大的下降。

(2)特種塑料PVDF的注塑成型工藝參數(shù)中，注射壓力的變化對(duì)于材料的力學(xué)性能影響不大。

(3)特種塑料PVDF中添加一定量的碳纖維，對(duì)于材料的抗拉強(qiáng)度有顯著的提高，但隨著纖維含量的增加，其強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此在使用過(guò)程中必須嚴(yán)格控制纖維含量，達(dá)到最佳配比，以發(fā)揮其最佳性能。

[1] 吳金坤. PVDF的特性及其生產(chǎn)現(xiàn)狀. 化工新型材料.1999(6)：10-13.

[2] 卓震. 聚偏二氟乙烯(PVDF)特性及其在工業(yè)工程中的應(yīng)用. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2004, 16(2)：118-120.

[3] 張甲敏,王雪靜,連照勛. 聚偏二氟乙烯注塑成型技術(shù). 塑料科技 ,2008, 36(10)：58-61.

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[5] 張士林,范孜娟. 聚偏氟乙烯樹(shù)脂性能加工應(yīng)用. 工程塑料應(yīng)用 , 2005(4)： 67-69．